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虽然紫外线在太阳光中能量占比仅5%,但在人类生活中应用广泛。目前,紫外光广泛应用于水净化、光固化和杀菌消毒等领域。传统的紫外光源一般是采用汞蒸气放电的激发态来产生紫外线,有着发热量大、功耗高、反应慢、寿命短和安全隐患等诸多缺陷。而新型的深紫外光源则采用发光二极管(LED)发光原理,相对于传统的汞灯拥有诸多的优点。其中,重要的优势在于其不含有毒汞元素。《水俣公约》的实施,预示2020年将全面禁止含有汞元素紫外灯的使用。因此,开发出一种全新的环保、高效紫外光源,成为了摆在人们面前的一项重要挑战。
由此,基于宽禁带半导体材料(氮化镓、氮化镓铝)的深紫外发光二极管(UV LED)成为这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系效率高、体积小、寿命长,而且不过是拇指盖大小的芯片,就能发出比汞灯还要强的紫外光。这里面的奥秘主要取决于III族氮化物这种直接带隙半导体材料:导带上的电子与价带上的空穴复合时,产生光子。光子的能量则取决于材料的禁带宽度,所以科学家们可以通过调节氮化镓铝(AlGaN)这种三元化合物中的元素组分来实现不同波长的发光。但是,要想实现UV LED的高效发光并不总是那么简单的事情。科学家们发现当电子和空穴复合时,并不总是一定产生光子,这一效率被称之为内量子效率(IQE)。
与传统紫外LED结构不同的是,这种新型结构内部的发光层——多层量子阱(MQW)内势阱和势垒的厚度并不是均匀的。借助于高分辨投射电子显微镜,研究人员得以在微观尺度分析仅仅只有几纳米的量子阱结构。研究表明,在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会出现聚集现象,这导致了局部的能带变窄,并且随着薄膜的生长,富Ga和富AI的区域会一直延伸至DUV LED的表面,并且在三维空间内出现扭曲、弯折、形成三维的多量子阱结构。研究者们称这一特殊现象为:AI、Ga的元素的相分离和载流子局域化现象。值得指出的是,在铟镓氮(lnGaN)基的蓝光LED体系中,ln由于和Ga并不100%互溶,导致材料内部出现富ln和富Ga的区域,从而产生局域态,促进的载流子的辐射复合。但在AlGaN材料体系中,Al和Ga的相分离却很少见到。而此工作的重要意义之一就在于人为调节材料的生长模式,促进相分离,并因此大大改善了器件的发光特性。
此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发提供新的思路。这种思路无需昂贵的图形化衬底,也不需要复杂的外延生长工艺。而仅仅依靠衬底的斜切角的调控和外延生长参数的匹配和优化,就有望将紫外LED的发光特性提高到与蓝光LED相媲美的高度,为高功率深紫外LED的大规模应用奠定实验和理论基础。
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